CN113013874A - 一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法 - Google Patents

一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及交直流混合配电网技术领域，目的是提供一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，具体涉及在交直流配电网故障后恢复电力系统中的应用，以负荷中断时长和缺额电量最小为目标，计及交直流潮流约束、VSC换流站约束、支路传输容量约束、电压约束等约束条件，建立了多目标交直流配电网付账恢复模型。并提出了一种嵌入贪婪搜索机制的改进NSGA‑II算法对模型进行求解，所提算法具有求解效率高，求解稳定的特点。

Description

一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法
技术领域
本发明涉及交直流混合配电网领域，具体涉及一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法。
背景技术
配电网故障恢复是指当配电网发生故障后，利用一定的故障恢复策略对配电网中的联络开关和分段开关进行操作，实现恢复失电负荷最多，同时满足恢复后配电网连通性、辐射状、馈线不过载等。配电网故障恢复是一个多目标、多约束的非线性优化问题，传统的配电网故障恢复求解方法主要有启发式搜索方法和遗传算法、禁忌搜索算法、蚁群算法以及多代理方法等智能优化算法2类。启发式搜索方法将专家知识转化为相应的处理规则，但系统的初始状态对搜索结果影响很大，算法稳定性不够好。智能优化算法将故障恢复描述为多目标规划问题，并以概率寻优方式进行求解，对于处理复杂网络问题时具有很大的优势，但由于该类方法需要大量迭代，计算时间较长。随着现在配网中直流负荷越来越多，且以风电、光伏为代表的分布式电源在电网中的渗透率不断提高，给传统交流电网带来了严峻挑战，而直流系统由于具有损耗低、电能质量高、功率控制容易、输电容量大以及环境污染小等优势，近年来受到广泛的关注和研究。因此，交直流相结合的混合配电网形式，具备交流及直流电网的优势，能够实现交流及直流负荷的分区互给，促进分布式电源的消纳，将是未来主动配电网的重要实现形式之一。
现有研究对配网故障恢复问题中不同能源、不同设备的影响研究已较为全面，但主要针对交流配电网，鲜有文献对交直流混合配电网故障恢复问题进行研究。交直流电网作为未来智能配电网的一种重要形式，其网络结构相对传统交流电网更复杂。在故障恢复策略中交流配电网一般通过改变支路开关及联络开关状态进行故障恢复，而在交直流电网中，还能够通过改变换流器的状态来进行故障恢复，并且交直流配电网还需要额外计及直流网络电压约束以及换流站等约束条件。有研究也提出了交直流混合配电网故障恢复优化模型，并着重分析了交直流混合配电网相与传统交流配电网在目标函数和约束条件上的差异。但其未考虑分布式电源接入，也没有分析分布式储能等可调控资源对故障恢复的影响。本发明所要解决的技术问题是：1)本发明将储能作为可调控资源进行建模，以负荷中断时长和缺额电量指标最小为目标，计及交直流潮流约束、VSC换流站约束等约束条件建立多目标交直流配电网故障恢复模型。2)为快速求解所提模型，提出了一种嵌入贪婪搜索机制的改进NSGA-II算法对模型进行求解，所提算法具有求解效率高，求解稳定的特点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，具体涉及在交直流配电网故障后恢复电力系统中的应用，以负荷中断时长和缺额电量最小为目标，计及交直流潮流约束、VSC换流站约束、支路传输容量约束、电压约束等约束条件，建立了多目标交直流配电网付账恢复模型。并提出了一种嵌入贪婪搜索机制的改进NSGA-II算法对模型进行求解。
通过以下技术方案来实现的：一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，包括下列步骤：
S1:获取混合配电网中的多项数据，其中，多项数据为故障混合配电网的各项电力数据；
S2：为了评估产生故障后对交直流配电网区域用户的影响，建立交直流配电网负荷恢复能力评估指标体系；
S3：结合交直流配电网负荷恢复能力评估指标体系，建立多目标交直流配电网负荷恢复模型，其中，多目标交直流配电网负荷恢复模型包含有交流配电网约束、直流配电网约束、4VSC换流站约束、储能运行约束和负荷转供连续性约束；
S4：结合S1中的多项数据，利用嵌入贪婪搜索机制的改进NSGA-II算法对S3中的模型进行求解，得到故障混合配电网的最优负荷恢复策略。
优选的，交直流配电网区域用户中，不同类型的用户因停电事故而造成的损失不同，根据用户的重要程度，将其分为特级重要、重要以及一般用户，针对不同等级的用户赋予不同的权值，分别为特级重要1、重要用户0.7和一般用户0.3。
优选的，所述步骤S2中，交直流配电网符合恢复能力评估指标体系包括有负荷中断指标TILO和电量缺额指标EIENS，所述负荷中断指标TILO是衡量故障发生后，配电区域内每个用户的平均中断时长，结合不同负荷的重要程度加权求得，电量缺额指标EIENS用于衡量因系统发生故障而导致的总电能损失量，TILO及EIENS两个指标能够反映故障下系统的转供及负荷恢复能力，该指标的数值越小代表故障停运对用户的影响也越小，反映故障状态下系统的综合满意度更高。
优选的，所述步骤S3中，多目标交直流配电网负荷恢复模型包括两个目标函数，目标函数1以负荷中断时长最小为目标，目标函数2以电量缺额最小为目标。
优选的，所述S4中，将多目标交直流配电网负荷恢复模型优化为满足等式约束以及不等式约束的目标函数最小值的多目标优化模型，计算公式如下，
Figure BDA0002947415200000031
式中，f(xc,xs)为优化目标函数；f1(xc,xs)、f2(xc,xs)分别为负荷中断时长及电量缺额指标两个子目标函数；hi(xc,xs)为等式约束条件，gi(xc,xs)为不等式约束条件；xc为决策变量，xs为状态变量。
优选的，平整性子属性的具体类型包括有平整、圆形凹洞、方形凹洞、凸起和裂缝，覆盖性子属性的具体类型包括有整洁、湿滑、积水、冰雪和遗撒物，坡度子属性的具体类型包括有坡度和无坡度，所述交叉口类型子属性的具体类型包括有十字交叉口、T形交叉口和Y形交叉口。
优选的，支路开关状态和VSC控制模式采用整数编码，储能各时段输出功率采用实数连续编码，控制变量的混合编码方案可表达为
Figure BDA0002947415200000032
式中，S代表各个支路开断状态；NB代表支路数目总和；E代表储能的输出功率；NE代表储能的数目总和；V代表VSC的控制模式；NM代表VSC数目总和。
优选的，所述S4中，嵌入贪婪搜索机制的NSGA-II优化算法具体包括下列步骤：
S71：建立优先列表：按备供电源容量由大到小顺序创建优先级由高到低的列表，对于每一个备供电源当其遇到多个可转供的负荷节点时，为保障重要负荷的持续供电，按负荷节点的重要等级进行排序，当节点重要程度相同时，优先转供负荷量大的节点；
S72:贪婪路径搜索：对于每一个备用电源首先判断与其相连的节点是否满足转供要求，如满足，则将该节点计入已转供负荷节点集，然后依次搜索与已转供负荷集中相连的负荷节点编号，根据其优先级程度依次进行转供；
S73:转供连续性约束：从故障修复完成时刻往故障发生时刻方向开始进行搜索，对于每一个节点，一旦搜索到其不能恢复供电的时段便立即停止该节点的搜索。
本发明的有益效果是：
(1)传统算法仅凭借在各个时间断面下分别搜索最优转供路径将很难考虑各个时间断面之间的关联性，即转供时间连续性约束很难满足，但NSGA-II算法具有较强的变量处理能力，能够最大限度保持负荷中断时长和缺额电量两个优化目标之间的独立性，具有求解效率高，求解稳定的特点；
(2)相较对各时段独立优化转供路径的传统网络重构方法，本申请中负荷转供连续性约束条件规避了重构过程中可能导致的用户多次停电问题，确保了转供策略在工程实际中的可行性。
附图说明
图1为本发明一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法的原理图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
具体涉及在交直流配电网故障后恢复电力系统中的应用，以负荷中断时长和缺额电量最小为目标，计及交直流潮流约束、VSC换流站约束、支路传输容量约束、电压约束等约束条件，建立了多目标交直流配电网付账恢复模型。并提出了一种嵌入贪婪搜索机制的改进NSGA-II算法对模型进行求解，所提算法具有求解效率高，求解稳定的特点，包括下列步骤：
S1:获取混合配电网中的多项数据，其中，多项数据为故障混合配电网的各项电力数据；
S2：为了评估产生故障后对交直流配电网区域用户的影响，建立交直流配电网负荷恢复能力评估指标体系；
S3：结合交直流配电网负荷恢复能力评估指标体系，建立多目标交直流配电网负荷恢复模型，其中，多目标交直流配电网负荷恢复模型包含有交流配电网约束、直流配电网约束、4VSC换流站约束、储能运行约束和负荷转供连续性约束；
S4：结合S1中的多项数据，利用嵌入贪婪搜索机制的改进NSGA-II算法对S3中的模型进行求解，得到故障混合配电网的最优负荷恢复策略。
值得说明的是，为了评估由于故障而产生的对交直流配电网区域用户的影响，本发明建立了负荷中断时长及电量缺额两个指标并对不同重要等级负荷赋予不同的权重系数进行加权处理，这两个指标能比较全面的反映负荷恢复的综合满意度，当配电网发生故障时，由于故障区域内不同类型的用户因停电事故而造成的损失有着较大差别，为了综合衡量由于故障而给故障区域用户带来的影响，本发明根据用户不同重要程度，将其分为特级重要、重要以及一般用户，针对不同等级的用户赋予不同的权值，分别为特级重要(1.0)、重要用户(0.7)和一般用户(0.3)。
关于负荷中断指标(TILO)
负荷中断指标衡量故障发生后，配电区域内每个用户的平均中断时长，其根据不同负荷的重要程度加权求得：
Figure BDA0002947415200000051
关于电量缺额指标(EIENS)
电量缺额指标用于衡量因系统发生故障而导致的总电能损失量：
Figure BDA0002947415200000052
式中：n代表节点编号；Ωc为馈线节点的集合；Tfault代表故障持续时间；Nn代表节点n处的负荷数量；Tt代表时间间隔；αt,n为一个0-1变量，代表t时刻节点n的恢复供电情况，为0代表该节点处于停电状态，为1代表该节点已恢复供电；μn为不同重要等级用户的权重系数；Lt,n代表t时刻节点n的负荷总量；t代表时刻。
当配电网区域内发生故障时，通过制定合理的DESS与VSC策略从而使配电的重构及转供能力得到提升，TILO及EIENS两个指标能够反映故障下系统的转供及负荷恢复能力，该指标的数值越小代表故障停运对用户的影响也越小，反映故障状态下系统的综合满意度更高。
本发明所提的两个负荷恢复能力评估指标建立交直流配电网多目标负荷恢复模型，表达式具体如下式所示，
(1)目标函数1：负荷中断时长最小
Figure BDA0002947415200000061
(2)目标函数2：电量缺额最小
Figure BDA0002947415200000062
关于交流配电网约束
(1)节点电压安全约束
Figure BDA0002947415200000063
(2)线路载流量约束
(Pij,t)2+(Qij,t)2≤(Sij,max)2
式中：ε为节点电压允许偏差量；Vref为参考电压；Sij,max为交流支路ij的载流量上限。
(3)拓扑辐射约束
βij+βji＝αl
Figure BDA0002947415200000071
Figure BDA0002947415200000072
式中：βij为每条支路的二进制变量，为0表示节点j不是节点i的父节点，为1表示节点j是节点i的父节点；αl为支路连通变量，为0表示支路l断开，为1表示支路l闭合；N(i)表示所有与节点i相连的节点集合；m为支路总数。
关于直流配电网约束
(1)直流网络节点潮流约束
Figure BDA0002947415200000073
(2)直流侧支路功率双向约束
Figure BDA0002947415200000074
式中：Ndc为直流网络节点集合；
Figure BDA0002947415200000075
为直流支路ij的载流量上限；
Figure BDA0002947415200000076
为时刻t直流支路ij流过的有功功率；
Figure BDA0002947415200000077
为直流网络节点导纳矩阵中对应节点i和节点j的元素值。
此外，直流侧电网运行约束还包括节点电压安全约束。
关于4VSC换流站约束
(1)换流器载流量约束
Figure BDA0002947415200000078
(2)换流器无功调节量约束
Figure BDA0002947415200000079
式中：
Figure BDA0002947415200000081
为t时刻换流站i的无功功率；
Figure BDA0002947415200000082
为换流站i的无功调节上限；
Figure BDA0002947415200000083
为换流器i的载流量上限。
关于储能运行约束
由于本发明考虑的场景为故障后利用储能作为备用电源进行负荷恢复，储能在负荷恢复过程中仅考虑其放电状态，因此储能模型可以简化为如下表达式
Pess,min≤Pdis,t≤Pess,max
Figure BDA0002947415200000084
SSOC,min≤SSOC,t≤SSOC,max
式中：Pess,min和Pess,max分别代表储能输出功率的上下限；Pdis,t代表储能t时刻的输出功率；ηdis代表储能的放电效率；SSOC,min和SSOC,max分别代表储能的荷电状态上下限；SSOC,t代表储能t时刻的荷电状态。
关于负荷转供连续性约束
ωn,t≥ωn,t-1
式中：ωn,t为表示节点停电状态的0-1变量，ωn,t为0表示节点n在t时刻处于停电状态，为1则为被恢复供电状态。转供连续性约束考虑了转供时段间的关联性，其实质含义是对某负荷用户的电力转供一旦开始，则需确保转供过程能够持续至故障修复时刻为止，即每一用户在一次故障事故中仅容许停电一次。相较对各时段独立优化转供路径的传统网络重构方法，这一约束条件规避了重构过程中可能导致的用户多次停电问题，确保了转供策略在工程实际中的可行性。
值得说明的是，上述所建模型为一个非线性混合整数规划模型存在较强非线性，例如交流配电网支路潮流、VSC换流站内部损耗等。对于此类问题的求解，现有方法例如枚举法在对其求解的时候求解效率较低，而凸规划优化方法虽然求解效率较高，但由于其值域变化可能会导致出现过于乐观的场景。同时考虑到配电网发生故障后需要快速形成负荷转供方案，以上方法均难以适用，为此本发明提出一种嵌入贪婪搜索机制的NSGA-II优化算法对其进行求解。
关于优化模型与控制变量编码策略：
Figure BDA0002947415200000091
式中：f(xc,xs)为优化目标函数；f1(xc,xs)、f2(xc,xs)分别为负荷中断时长及电量缺额指标两个子目标函数；hi(xc,xs)为等式约束条件，gi(xc,xs)为不等式约束条件；xc为决策变量，xs为状态变量。
本发明中控制变量为各支路开关状态，储能各时段的输出功率，以及VSC的控制模式。其中支路开关状态和VSC控制模式采用整数编码，储能各时段输出功率采用实数连续编码，控制变量的混合编码方案可表达为
Figure BDA0002947415200000092
式中：S代表各个支路开断状态；NB代表支路数目总和；E代表储能的输出功率；NE代表储能的数目总和；V代表VSC的控制模式；NM代表VSC数目总和
多目标函数处理及最优解选取
NSGA-II算法具有较强的变量处理能力，能够最大限度保持负荷中断时长和缺额电量两个优化目标之间的独立性，具有较好的全局寻优能力能够获得优化pareto解集。为了从优解集中挑选出最优解，在此使用模糊隶属度函数，通过模糊隶属度函数的大小反映决策者对该目标优化的满意程度，综合各目标函数的模糊隶属度来求取最优解。
首先遍历pareto解集，通过下式计算pareto解集中第k个解中第i个目标函数的隶属度。
Figure BDA0002947415200000101
式中：Fi为目标函数i的值；
Figure BDA0002947415200000102
Figure BDA0002947415200000103
分别为目标函数取值的上下限。
然后根据决策者偏好设置权重值，并计算多个目标函数最优解的隶属度加权值。所得的最大值即为对应的pareto最优解。本发明设计等权重，计算表达式如下：
Figure BDA0002947415200000104
式中：Np为种群数目；λi为目标函数i的取值权重；Nobj为目标函数个数；
Figure BDA0002947415200000105
隶属度函数值。
关于贪婪搜索：
(1)建立优先列表：按备供电源容量由大到小顺序创建优先级由高到低的列表，对于每一个备供电源当其遇到多个可转供的负荷节点时，为保障重要负荷的持续供电，按负荷节点的重要等级进行排序，当节点重要程度相同时，优先转供负荷量大的节点。
(2)贪婪路径搜索：对于每一个备用电源首先判断与其相连的节点是否满足转供要求，如满足，则将该节点计入已转供负荷节点集，然后依次搜索与已转供负荷集中相连的负荷节点编号，根据其优先级程度依次进行转供。
(3)转供连续性约束：传统算法仅凭借在各个时间断面下分别搜索最优转供路径将很难考虑各个时间断面之间的关联性，即转供时间连续性约束很难满足。为解决这一问题，本发明从故障修复完成时刻往故障发生时刻方向开始进行搜索，对于每一个节点，一旦搜索到其不能恢复供电的时段便立即停止该节点的搜索。
值得说明的是，嵌入贪婪搜索机制的NSGA-II优化算法对其进行求解能够对本发明所提模型进行快速求解，当配电区域发生故障后，可以快速形成一套负荷转供策略，使故障区域停电损失尽可能降低。
值得说明的是，本发明考虑储能在负荷恢复中的作用，当发生故障时，储能可以为故障区域的电力用户提供额外的电力支撑，本发明通过制定合理的储能各时段出力控制策略，能够有效减少故障区域停电损失。
实施例2：
通过实施例1，我们可以得到一套系统的故障区域的恢复止损的方法，但都是基于现有的电力数据基础上进行的测算，即模型的搭建方法和求解方法，为了将本方法得到应用，故可以在交直流配电网正常运行时，读取多项电力数据，具体如实施例1中各个公式中的电力数据，通过提前建立所需要的综合满意度指标，设定待优化的目标函数，甚至可以提前对故障区域进行预判测算，假设某一节点、区域、系统等出现故障，提前通过改进NSGA-II算法对模型进行求解，包括但不限于通过模拟软件、平台，设定模拟故障区域，进而得到对应的模型解。

Claims (7)

1.一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1:获取混合配电网中的多项数据，其中，多项数据为故障混合配电网的各项电力数据；
S2：为了评估产生故障后对交直流配电网区域用户的影响，建立交直流配电网负荷恢复能力评估指标体系；
S3：结合交直流配电网负荷恢复能力评估指标体系，建立多目标交直流配电网负荷恢复模型，其中，多目标交直流配电网负荷恢复模型包含有交流配电网约束、直流配电网约束、4VSC换流站约束、储能运行约束和负荷转供连续性约束；
S4：结合S1中的多项数据，利用嵌入贪婪搜索机制的改进NSGA-II算法对S3中的模型进行求解，得到故障混合配电网的最优负荷恢复策略。
2.根据权利要求1所述的一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，其特征在于，混合配电网区域用户中，不同类型的用户因停电事故而造成的损失不同，根据用户的重要程度，将其分为特级重要、重要以及一般用户，针对不同等级的用户赋予不同的权值，分别为特级重要1、重要用户0.7和一般用户0.3。
3.根据权利要求2所述的一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，其特征在于，所述步骤S2中，交直流配电网符合恢复能力评估指标体系包括有负荷中断指标TILO和电量缺额指标EIENS，所述负荷中断指标TILO是衡量故障发生后，配电区域内每个用户的平均中断时长，结合不同负荷的重要程度加权求得，电量缺额指标EIENS用于衡量因系统发生故障而导致的总电能损失量，TILO及EIENS两个指标能够反映故障下系统的转供及负荷恢复能力，该指标的数值越小代表故障停运对用户的影响也越小，反映故障状态下系统的综合满意度更高。
4.根据权利要求1所述的一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，其特征在于，所述步骤S3中，多目标交直流配电网负荷恢复模型包括两个目标函数，目标函数1以负荷中断时长最小为目标，目标函数2以电量缺额最小为目标。
5.根据权利要求4所述的一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，其特征在于，所述S4中，将多目标交直流配电网负荷恢复模型优化为满足等式约束以及不等式约束的目标函数最小值的多目标优化模型，计算公式如下，
Figure FDA0002947415190000021
式中，f(xc,xs)为优化目标函数；f1(xc,xs)、f2(xc,xs)分别为负荷中断时长及电量缺额指标两个子目标函数；hi(xc,xs)为等式约束条件，gi(xc,xs)为不等式约束条件；xc为决策变量，xs为状态变量。
6.根据权利要求5所述的一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，其特征在于，支路开关状态和VSC控制模式采用整数编码，储能各时段输出功率采用实数连续编码，控制变量的混合编码方案可表达为
Figure FDA0002947415190000022
式中，S代表各个支路开断状态；NB代表支路数目总和；E代表储能的输出功率；NE代表储能的数目总和；V代表VSC的控制模式；NM代表VSC数目总和。
7.根据权利要求1所述的一种计及分布式储能的交直流混合配电网负荷恢复方法，其特征在于，所述S4中，嵌入贪婪搜索机制的NSGA-II优化算法具体包括下列步骤：
S71：建立优先列表：按备供电源容量由大到小顺序创建优先级由高到低的列表，对于每一个备供电源当其遇到多个可转供的负荷节点时，为保障重要负荷的持续供电，按负荷节点的重要等级进行排序，当节点重要程度相同时，优先转供负荷量大的节点；
S72:贪婪路径搜索：对于每一个备用电源首先判断与其相连的节点是否满足转供要求，如满足，则将该节点计入已转供负荷节点集，然后依次搜索与已转供负荷集中相连的负荷节点编号，根据其优先级程度依次进行转供；
S73:转供连续性约束：从故障修复完成时刻往故障发生时刻方向开始进行搜索，对于每一个节点，一旦搜索到其不能恢复供电的时段便立即停止该节点的搜索。
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